Masini de Fabricare Rapida a Prototipurilor

I. Introducere

1.1 Noțiuni generale

Din 1987 când a fost comercializată prima mașină de fabricare rapidă a prototipurilor (RP),prin stereolitografiere (SLA), au fost dezvoltate foarte multe alte tipuri de mașini RP folosind diferite tehnologii de fabricație. Între acestea se pot aminti sinterizarea selectivă cu laser (SLS), solid ground curing (SGC), laminated object manufacturing (LOM), tipărirea tridimensională (3DP), fused depozition modelling (FDM), solid creation system (SCS), solid object ultraviolet – lasr plotter (SOUP), selective adhesive and hot press (SAHP), multi – jet modelling system (MJM), direct shell production casting (DSPC), multiphase jet solidification (MJS), prelucrarea cu particule balistice (BPM), etc.

De regulă, majoritatea tehnologiilor RP construiesc piesa prin adăugarea de straturi succesive (vezi fig.1.1), excepție făcând tehnologiile holografice. Modelele CAD solide sau de tip suprafețe, trebuie convertite în format STL. Fișierul STL conține o listă de fațete triunghiulare reprezentând suprafețele obiectului ce trebuie construit, împreună cu un vector unitar (versor) normal la fațeta triunghiulară asociat ei. Fațetele triunghiulare sunt generate printr-o procedură numită “tesselation”. Fișierul în format STL este transmis mașinii RP. La marea majoritate a sistemelor RP, procesul de construire al modelului este complet automatizat, astfel încât operatorul poate lăsa mașina să lucreze singură, chiar și-n timpul nopții. Procesul durează de regulă mai multe ore, în funcție de mărimea, complexitatea geometrică și numărul pieselor construite simultan. Calculatorul sistemului RP va analiza fișierul STL, va secționa în straturi succesive modelul CAD și (în funcție de tipul mașinii) va construi suporți acolo unde este necesar. Secțiunile prin modelul CAD sunt materializate succesiv prin solidificarea unor lichide ori pulberi, prin topirea unor solide, lipirea unor straturi succesive de material, etc. În final, după ce modelul a fost construit, în funcție de tipul sistemului, sunt necesare operații ulterioare de curățare, îndepărtare a suporților etc.

Se spune că diversitatea aplicațiilor din domeniul RP este impresionantă și este limitată numai de imaginație. Tehnologiile RP se aplică cu succes în industrie, medicină, arhitectură, medicină legală etc. După cum se poate observa și din figura 1.2, modul în care sunt utilizate tehnologiile RP arată astfel:

Verificarea rolului funcțional al unui produs (22.7%);

Verificarea asamblării unor repere (18.2%);

Studii ergonomice (4.6%);

Estimarea prețului produselor (1.4%);

Oferte de fabricație (3.6%);

Modele pentru Rapid Tooling (RT) (13.4%);

Modele pentru turnarea metalelor (6.3%);

Fabricarea de scule (3.7%);

Verificarea ideilor de proiectare (16.9%);

Verificarea proiectării sculelor (5.4%);

Altele (3.8%).

Industria producătoare de sisteme RP a cunoscut începând din anii ’88 relativ o continuă creștere a vânzărilor (vezi fig. 1.3). Creșterea moderată a vânzărilor de sisteme RP se datorează în cea mai mare măsură preferințelor pentru tehnologii bine cunoscute, cu performanțe de precizie ridicate, prețuri de cost mici, ușoare de întreținut și folosit etc.

In ceea ce privește utilizarea efectivă a sistemelor de fabricație rapidă a prototipurilor, se cunoaște [Wohler,2001] că față de 1.86 milioane modele produse în 1998 prin tehnologii RP, sau 2.34 milioane modele RP produse în 1999, în anul 2000 s-au produs 3004006 modele RP. In medie s-au realizat două copii ale aceluiași model proiectat, aceasta însemnând că s-au realizat aproximativ 1.46 milioane prototipuri diferite.

In figura 1.3 este ilustrată repartizarea la nivel mondial a sistemelor RP instalate de la începuturi și până în anul 2000.

Astfel, dintr-un total de 6755 sisteme RP vândute până în anul 2001 avem în:

America de Nord (45.3%);

Asia/Pacific (28.6%);

Europa (24.6%);

In rest (1.5%).

În ultimii ani s-au publicat foarte multe lucrări, articole, cărți în diverse jurnale sau la conferințele din domeniul tehnologiilor de fabricare rapidă a prototipurilor. Între acestea pot fi menționate lucrarea [John,1994] ce descrie majoritatea procedeelor RP, [Ippo,1995] în care se face o comparație între precizia geometrică și rugozitatea suprafețelor prelucrate pe sistemele SLA, SGC, SCS, FDM și LOM, [Dick,1995] care trece în revistă o serie de tehnici de lucru și respectiv aplicațiile lor în domeniul RP, etc

1.2 Materiale folosite

Materia primă utilizată de aceste tehnologii poate fi: lichidă pulbere sau solidă. Procedeele care folosesc materia primă în stare lichidă, pot fi clasificate la rândul lor în două grupe:

Cele care folosesc polimeri lichizi, ca materiale de bază, iar solidificarea se realizează la impactul cu lumina, de la laser de mică putere sau prin încălzire (polimerizare termală).

Cele bazate pe topire, depunere și de resolidificare a materialelor. Ele permit folosirea de metale precum și plastic sau lichide. (procesul F.P.M)

Alte procedee folosesc ca materie primă pulberea. Legarea particulelor de pulbere poate fi realizată prin fuziune în aria de contact a particulelor de aceeași fel, sau cu particule dintr-un alt material, care se va construi ca material complementar special pentru acest proces (S.L.S), sau lipirea particulelor în zonele de interes cu substanță specială (3D printing).

În final, unele procese folosesc materia primă în stare solidă în special folii subțiri. Câteva procedee realizează lipirea sau sudarea foliilor, în grosime, pentru a produce forma solicitată. Alte procedee, folosesc semipolimerizarea foliilor de plastic, care sunt fixate împreună printr-o altă foto polimerizare. În funcție de materia primă folosită, tehnologic R.P. se pot clasifica conform tabelului 1.

II. Sisteme de fabricație rapidă a prototipurilor

2.1 Clasificarea diferitelor procese RP

Sunt diferite puncte de vedere în ceea ce privește clasificarea tehnologiilor RP. Astfel [Burn,1993] clasifică tehnologiile RP în două categorii: aditive și procese hibrid. După Burns, termenul de proces RP aditiv descrie acel proces RP la care obiectul este construit prin adăugare succesivă de particule sau straturi de material în vederea obținerii unui volum solid având o anumită formă geometrică. Lipirea straturilor decupate în decursul procedeului LOM este considerat un proces RP hibrid deoarece conturul secțiunii prin piesă este decupat după ce stratul curent de material a fost în întregime lipit. Dintre procesele RP aditive Burns menționează procesele SLA, SLS, Cubital, prelucrarea cu particule balistice, etc.

Johnson clasifică procedeele RP în funcție de modul de materializare a straturilor succesive [John,1994]. Interacțiunea dintre semifabricatul de masă m și respectiv cantitatea de energie W generează un strat fizic, a cărui variație de putere este:

Primul termen din relația (2.1) reprezintă procesul în care materialul de masă m este activat, înlăturat sau lipit datorită unei cantități de energie δW variabilă. Coeziunea moleculară, lipirea particulelor sau straturilor pot fi clasificate în funcție de variația energiei din cadrul procesului RP. Al doilea termen din relația (2.1) semnifică modul de control al materialului de masă variabilă δm prin intermediul energiei W. Depunerea de picături, de particule sau depunerea prin topire sunt încadrate în cadrul acestor procese cu masă variabilă. Kochan și Chua [Koch,1995] clasifică procedeele RP după starea inițială a materialului și metoda de fabricație, după cum se poate vedea în Tabelul 2.1.

Tabelul 2.1

2.2 Procedee de fabricație rapidă a prototipurilor

2.2.1 Fabricarea de piese stratificate (LOM)

Fabricarea de piese stratificate (LOM) este o metodă de fabricație în care un model 3D este construit plecând de la o reprezentare CAD (model solid) prin adăugarea secvențială a secțiunilor. Procedeul conține trei faze importante: preprocesarea, construirea modelului și respectiv post procesarea. Echipamentul este controlat în întregime de calculator. Aceasta include controlul sistemului laser, al mecanismului de avans al foliei de material, al temperaturii și al mecanismului de avans al rolei încălzitoare și al mecanismului de deplasare al platformei de lucru (vezi fig. 2.1). Principalul producător mondial de astfel de mașini este firma Helisys Inc., USA. Sunt produse trei tipuri de astfel de mașini: LOM 1015, LOM 1015 plus și LOM 2030.

LOM 1015 (din dotarea Centrului de fabricare rapidă a prototipurilor al Universității Tehnice din Cluj-Napoca, vezi fig.2.2) și respectiv LOM 2030 au o aceeași structură bazată pe câteva sisteme responsabile cu diferite etape din cadrul procesului de prelucrare. Aceste sisteme sunt:

Calculatorul electronic plus programul LOMSlice;

Laserul cu CO2, sistemul de ghidare prin oglinzi și focalizare a razei laser;

Dispozitivul tip “plotter” de poziționare în planul xOy a razei laser;

Sistemul de manevră al platformei pe direcție verticală;

Sistemul de laminare al straturilor succesive;

Sistemul de alimentare cu material;

Sistemul de exhaustare.

a) Sistemul hardware și software

Calculatorul electronic, cu o configurație minimă corespunzătoare unui IBM – compatibil 80486 rulează sub Microsoft Windows NT, CPU la 33 MHz, 16 MB RAM și cel puțin

120 MB hard disk. În ceea ce privește software-ul LOMSlice, este o aplicație pe 32 biți, cu o interfață ușor de utilizat, cuprinzând un meniu, ferestre de dialog, indicatori de progres etc., ca în fig.2.3. LOMSlice este complet integrat cu echipamentul de prelucrare permițând preprocesarea, execuția secțiunilor prin piesă și controlul mașinii într-un singur program. Precizia pe axa Oz este asigurată în timpul prelucrării printr-un circuit închis (feed-back) și este monitorizată după fiecare nouă lipire a unui strat. În anumite situații LOMSlice poate trece peste imperfecțiuni ale modelului STL (erori ce generează prin intersecția piesei cu un plan, curbe deschise).

b) Sistemul laser

Mașinile LOM folosesc pentru tăierea materialului un laser cu CO2. La mașinile LOM-1015 laserul are 25 W în timp ce LOM 2030 are un laser cu puterea de 50 W. Sistemul optic de conducere al razei laser în vederea tăierii stratului curent de material constă din trei oglinzi și o lentilă ce focalizează raza laser în planul de lucru. Focalizarea razei laser asigură tăierea cel mult a stratului curent de material. Diametrul razei focalizate este de aproximativ 0.25 mm (0.010 inch).

c) Dispozitivul de poziționare

Sistemul de poziționare al razei laser pe axele X-Y este de tip “plotter”, deplasarea de-a lungul celor două axe asigurându-se printr-un sistem de curele dințate, mișcările fiind controlate de motoare pas cu pas. Viteza maximă de deplasare pe cele două axe este de 380 m/s (15 inch/s) în cazul lui LOM 1015 și respectiv 610 mm/s (24 inch/s) în cazul lui LOM 2030. Precizia de poziționare pe X-Y este de ±0.025 mm (±0.001 inch).

d) Sistemul de manevră al platformei

Piesa LOM este construită pe o platformă a cărei mișcare pe verticală este asigurată de un sistem șurub-piuliță cu bile, controlul mișcărilor plarformei fiind efectuat de un motor pas cu pas. Precizia de poziționare a platformei de lucru este de 0.025 mm (0.001 inch) la 360 mm (1 foot) înălțime a piesei.

e) Sistemul de laminare

Sistemul de laminare este reprezentat de o rolă încălzită la aproximativ 60o C (210o F), a cărei poziție față de platforma de lucru este controlată cu ajutorul unui microîntrerupător. Prin rostogolirea rolei peste platforma de lucru, aceasta presează stratul curent de material față de stratul precedent, concomitent cu încălzirea acestuia. Stratul de material are pe fața de jos un termo-adeziv ce va fi activat de către rola încălzitoare și va conduce la lipirea stratului curent de cel precedent. Prin reglarea poziției rolei încălzitoare față de platforma de lucru, se poate mări sau micșora presiunea exercitată de rolă asupra stratului de material. O creștere a presiunii exercitate de rola încălzitoare îmbunătățește procesula maximă de deplasare pe cele două axe este de 380 m/s (15 inch/s) în cazul lui LOM 1015 și respectiv 610 mm/s (24 inch/s) în cazul lui LOM 2030. Precizia de poziționare pe X-Y este de ±0.025 mm (±0.001 inch).

d) Sistemul de manevră al platformei

Piesa LOM este construită pe o platformă a cărei mișcare pe verticală este asigurată de un sistem șurub-piuliță cu bile, controlul mișcărilor plarformei fiind efectuat de un motor pas cu pas. Precizia de poziționare a platformei de lucru este de 0.025 mm (0.001 inch) la 360 mm (1 foot) înălțime a piesei.

e) Sistemul de laminare

Sistemul de laminare este reprezentat de o rolă încălzită la aproximativ 60o C (210o F), a cărei poziție față de platforma de lucru este controlată cu ajutorul unui microîntrerupător. Prin rostogolirea rolei peste platforma de lucru, aceasta presează stratul curent de material față de stratul precedent, concomitent cu încălzirea acestuia. Stratul de material are pe fața de jos un termo-adeziv ce va fi activat de către rola încălzitoare și va conduce la lipirea stratului curent de cel precedent. Prin reglarea poziției rolei încălzitoare față de platforma de lucru, se poate mări sau micșora presiunea exercitată de rolă asupra stratului de material. O creștere a presiunii exercitate de rola încălzitoare îmbunătățește procesul de lipire a straturilor, prin eliminarea eventualelor bule de aer dintre straturi. Odată cu creșterea presiunii de contact dintre straturi, poate crește și viteza de deplasare a rolei, crescând productivitatea procesului. Totuși o presiune prea mare exercitată de către rola încălzitoare poate conduce la deformații ale pachetului (deci implicit ale modelului LOM). Odată cu presiunea exercitată de către rola încălzitoare, o atenție mare trebuie acordată și temperaturii acesteia. Fluctuații ale temperaturii rolei pot conduce la fluctuații ale temperaturii în piesă cu consecințe negative asupra procesului de fabricație (dezlipiri ale straturilor precedente, nelipire corespunzătoare etc.). Pentru aceasta temperatura rolei este controlată de un termocuplu și monitorizată în permanență de către LOMSlice.

f) Sistemul de alimentare cu material

Sistemul de alimentare cu material cuprinde doi arbori, unul pe care se montează rola cu material, respectiv al doilea pe care se va rula deșeul. Pe lângă cei doi arbori, sistemul de alimentare cuprinde cinci role pentru ghidarea foliei de material. Între cei doi arbori pe care se montează rola de material respectiv se va rula deșeul, folia va fi în permanență tensoinată, tensiunea fiind asigurată de către un motor auxiliar. Un senzor montat în circuitul de alimentare cu material sesizează lipsa tensiunii (datorită ruperii sau terminării hârtiei) și blochează procesul. În această situație LOMSlice afișează un mesaj de eroare pe ecranul calculatorului.

g) Sistemul de exhaustare

Tăierea materialului de către radiația laser se face cu degajare de fum. Fumul rezultat în timpul procesului se depune pe căile de ghidare ale sistemului de poziționare a laserului în planul xOy, putând genera erori la deplasarea capului laser. Mașina LOM are două ventilatoare de putere mică, ce în general nu fac față la cantitatea de fum ce se degajă în timpul procesului. Se recomandă ca utilizatorii să-și construiască propriul sistem de exhaustare cu un ventilator (montat de regulă în afara spațiului de lucru pentru evitarea zgomotului), plus conducta de evacuare a fumului ce se poate racorda la mașină prin intermediul unei flanșe montate în capacul superior al mașinii. Totuși chiar în condițiile în care exhaustarea este corespunzătoare, se recomandă curățarea ghidajelor de poziționare pe axele X-Y a laserului și a rolelor de ghidare ale acestuia după fiecare prelucrare pe mașină. Tabelul 2.2 ilustrează comparativ, performanțele sistemelor LOM 1015 și LOM 2030 ale firmei Helisys Inc.

Tabelul 2.2

Procesul de fabricare prin LOM

a) Preprocesarea

Preprocesarea are loc în mai multe etape. Prima etapă presupune generarea imaginii piesei plecând de la fișierul STL al piesei de prelucrat, sortarea datelor geometrice de intrare și crearea unor structuri noi de date (bmp, con, ini). Toate acestea sunt efectuate de LOMSliceTM, program ce controlează atât etapa de preprocesare cât și mașina propriu-zisă, efectuând în același timp și secționarea modelului 3D în format STL.

LOMSlice rulează sub Microsoft Windows NT©. Primește ca date de intrare fișiere STL în format binar sau ASCII. Pe baza fișierului STL, LOMSlice creează fișierul bmp pe baza căruia generează imaginea 3D a obiectului pe ecranul calculatorului, precum și fișierul CON ce conține lista de conectivități a triunghiurilor ce aproximează suprafața modelului 3D în format STL. Această listă va fi utilizată în continuare de algoritmul on-line de secționare, pentru obținerea formei geometrice 2D a fiecărui strat de secțiune prin piesă. LOMSlice permite translația, rotația, scalarea, copierea în oglindă a modelului în vederea unei orientări optime a acesteia pe platforma mașinii. In cazul în care este necesară prelucrarea mai multor modele, acestea se pot concatena într-un singur fișier STL, pentru a fi prelucrate simultan.

b) Construirea modelului

Construirea modelului se face din straturi subțiri de material care are pe una din fețe un termo-adeziv. Staturile sunt tăiate de o rază laser cu CO2 după cum se poate vedea din fig.2.1. Ciclul de prelucrare al unei piese conține următoarele etape:

În funcție de dimensiunile maxime ale piesei (conform orientării piesei față de sistemul Oxyz) aceasta este încadrată de către LOMSlice într-un paralelipiped dreptunghic. Pereților verticali ai acestuia, utilizatorul va indica o grosime (în mod uzual 5-10 mm) astfel încât cutia rezultată să confere o stabilitate a pachetului de straturi succesive, în timpul construirii. Piesa este tangentă interior la pereții acestei cutii;

LOMSlice generează o secțiune orizontală plană prin piesă z = gs, unde gs este grosimea hârtiei folosite. In acest fel sunt determinate coordonatele perimetrului piesei în planul de secțiune curent. Totodată sunt stabilite și traseele de hașurare crosshatch) pentru excesul de material în aceeași secțiune, precum și pentru pereții cutiei ce încadrează piesa. Materialul în exces din fiecare strat constituie suport pentru stratul următor;

Calculatorul conduce fascicolul laser focalizat în planul de lucru, prin intermediul unui dispozitiv de tip “plotter” ale cărui mișcări sunt comandate de către motoare pas cu pas. Planul de lucru coincide cu planul de focalizare al razei laser. Datorită acestui fapt raza laser va decupa întotdeauna numai în stratul curent de material. Decuparea va începe cu conturul interior/exterior al secțiunii prin piesă la cota respectivă z. Urmează decuparea după hașură a materialului în exces și se încheie cu decuparea conturului interior/exterior al cutiei;

Platforma pe care se construiește piesa strat cu strat, coboară pe o anumită distanță (aproximativ 60 mm), astfel încât materialul să poată înainta cu un pas. In acest moment platforma de lucru urcă din nou, astfel încât la pachetul construit anterior se va adăuga un nou strat de material. Rola încălzitoare va rula peste suprafața noului strat de material și-l va lipi de stratul precedent prin încălzire și presare;

Un microîntrerupător va controla în permanență înălțimea pachetului și va trimite informația calculatorului. De asemenea el va asigura ca stratul curent de material să fie situat în planul de focalizare al razei laser. LOMSlice va calcula coordonatele perimetrului (interior exterior) piesei în noul plan de secțiune. Raza laser va decupa noul contur de secțiune al piesei, al cutiei, precum și hașurile materialului în exces. Urmează o nouă coborâre a platformei de lucru, avansarea materialului cu un pas, lipirea noului strat de material de către rola încălzitoare, determinarea înălțimii pachetului, calculul formei secțiunii prin piesă la noua cotă etc.

Procesul de construire al piesei se încheie când înălțimea pachetului construit prin depunerea straturilor succesive de material atinge cota zmax a piesei.

c. Postprocesare, tratament și precizia realizată

Postprocesarea cuprinde totalitatea operațiilor de separare a piesei de materialul în exces, precum și operațiile de finisare a acesteia. Pentru început, pachetul construit este detașat față de platforma de lucru cu ajutorul unui șpaclu. O ușoară încălzire a platformei ușurează operația de desprindere. Urmează detașarea bazei pachetului față de pachetul propriu-zis. Baza pachetului este alcătuită dintr-un material de consistența unui burete, având ambele fețe adezive. Pe această bază se depun pentru început câteva straturi de material (aproximativ 20-30 straturi) în vederea consolidării ei. După detașarea bazei pachetului, pereții cutiei se vor putea îndepărta ușor, facilitând desprinderea bucăților de material în exces. Scule caracteristice secțiilor de modelărie în lemn cum sunt de exemplu dălțile, vor facilita extragerea materialului în exces, în special din găurile de diferite forme sau în cavitățile interioare din piesă. Având consistența unei piese din lemn (dacă materialul este hârtia, aceasta se poate finisa cu hârtie abrazivă. Se pot efectua asupra piesei chiar și operații de așchiere (ex. Burghiere, frezare, strunjire). După finisare, piesa se poate vopsi și apoi lăcui. Lăcuirea este importantă la piesele construite din hârtie deoarece hârtia este higroscopică și absoarbe umezeala, modelul putându-se deforma sau decalibra.

Precizia medie a prelucrării pieselor LOM este de aproximativ 0.25 mm (0.010 inch). Prin poziționarea optimă a piesei pe platforma de lucru și alegerea parametrilor tehnologici corespunzători, această precizie poate fi îmbunătățită. Oricum, din experiența utilizatorilor de sisteme LOM, o precizie geometrică mai bună se obține pe direcția X-Y, în comparație cu precizia pe direcția Z. Deoarece în timpul laminării straturile de material nici nu se întind nici nu se contractă, în piesă nu se vor introduce tensiuni care să conducă ulterior la deformația modelului. Pe axa Z precizia este controlată în timp real (prin feedback) astfel încât fiecare strat decupat va corespunde locației corecte pe Z. Precizia piesei LOM depinde și de precizia de realizare a modelului STL (rezoluția de fațetare).

Contrar altor procedee de fabricare rapidă a prototipurilor, laserul în procesul LOM nu trebuie să acopere întreaga secțiune prin piesă la fiecare strat materializat, ci doar conturul secțiunii. Din acest motiv piesele cu pereți groși sunt construite la fel de rapid ca și piesele cu pereți subțiri. Viteza mașinii este limitată doar la viteza de deplasare a sistemului de poziționare pe X-Y a capului laser, viteza de deplasare a rolei încălzitoare, viteza de avansare a materialului respectiv viteza de deplasare a platformei pe axa Z. Procesul LOM, complet integrat cu calculatorul, face ca mașina să funcționeze aidoma oricărui alt periferic al calculatorului. Un avantaj mare al procesului LOM îl constituie faptul că materialul în exces din fiecare strat constituie suport pentru stratul următor. Deci nu este necesară proiectarea și construirea unor suporți. Procesul LOM este simplu și ușor de înțeles, nu necesită cunoștințe avansate din domeniul tehnologic, al chimiei, fizicii etc. și prin urmare ușor de condus. Deoarece în timpul prelucrării piesei LOM nu au loc transformări fizice sau chimice ale materialului LOM, procesul de construire al piesei se poate opri în orice moment (pentru evacuarea deșeului de pildă) și reporni, fără ca precizia prelucrării sau calitatea piesei să aibă de suferit.

Materiale utilizate

Materialul cel mai simplu și mai puțin costisitor este hârtia LOM. Piesele prelucrate din hârtie au caracteristici mecanice și aspect fizic similar cu piesele confecționate din lemn. Rolele de hârtie livrate de către Helisys Inc., sunt de două calități: standard și high performance și de grosime 0.1067 mm. Între parametrii de lucru ai mașinii se va specifica și grosimea hârtiei folosite, deoarece LOMSlice ține cont de aceasta atunci când calculează mărimea incrementului folosit la secționarea piesei cu plane orizontale. Sunt folosite curent și materiale plastice, metalice, materiale compozite și respectiv materiale ceramice [Jaco1996]. În tabelul 2.2 sunt ilustrate principalele proprietăți ale hârtiei LOM.

Tabelul 2.3

Domenii de utilizare ale prototipurilor

Modelele LOM sunt ideale în munca de proiectare unde este importantă vizualizarea produsului, verificarea formei geometrice, a funcționalității produsului, a verificării corectitudinii montajului acestuia în cadrul unui ansamblu, ca de altfel în industria constructoare de mașini la realizarea de prototipuri, de modele pentru pregătirea fabricației sau chiar pentru producerea de piese mici în serii scurte de fabricație.

Aplicațiile industriale ale modelelor LOM sunt practic nelimitate, acoperind diverse domenii de activitate dintre care amintim industria aviatică, a automobilelor, a produselor de larg consum, domeniul medical (al implantelor de proteze) precum și al cercetărilor în diferite domenii.

Multe intreprinderi folosesc modelele LOM doar pentru a putea pur și simplu să vizualizeze practic o idee în munca de proiectare. Un model LOM odată finisat și vopsit sau lăcuit, arată întocmai ca și piesa reală. Deoarece procesul LOM nu este foarte costisitor multe modele sunt create pentru ca în compartimentele de marketing ale intreprinderilor să se poată face, pe baza acestora studii o prospectare a pieței în vederea lansării unor produse noi.

Pe lângă vizualizare, un produs LOM permite și verificarea geometriei acestuia și a performanțelor lui în timpul funcționării. Prin aceasta modelul LOM oferă producătorilor posibilitatea de a efectua eventuale modificări ale ideilor din proiectare, precum și evaluarea aspectelor estetice ale prototipului în cadrul ansamblului. În mod obișnuit o intreprindere preferă să analizeze un prototip înainte de a lansa în fabricația de serie un produs ce implică costuri foarte mari de producție.

Modelele LOM sunt puțin costisitoare, cu o bună precizie a formei geometrice și rugozitate bună. În cei peste trei ani de cercetări efectuate pe sistemul LOM 1015 din dotare, Centrul de Fabricație Rapidă a Prototipurilor din cadrul Universității Tehnice din Cluj-Napoca, Facultatea de Construcții de Mașini, a realizat o serie de contracte de cercetare atât cu Ministerul Educației Naționale, ANSTI respectiv cu multe intreprinderi industriale de profil din țară. În figura 2.4 sunt ilustrate câteva din piesele LOM executate în cadrul acestor contracte de cercetare.

2.2.2 Modelarea prin depunere de material topip (FDM)

Sistemul FDM (Fused Deposition Modeling) este unul dintre cele mai utilizate sisteme de fabricație rapidă a prototipurilor, după SLA. Componentele de bază ale mașinii FDM -1650 care se află și în dotarea UTC-N sunt: calculatorul electronic și programul QuickSlice, sistemul de alimentare cu material plastic, sistemul de încălzire a materialelor pentru piese și pentru suporți, sistemul de poziționare al duzelor de extrudare în planul xy, sistemul de poziționare al platformei pe axa z.

Principiul de funcționare

Principial, un fir de plastic ABS sau poliamida este incălzit la o temperatura de 2700C și extrudat printr-o duză de diametru foarte mic. Capul de depunere de material are două duze, una pentru materialul piesei și o alta pentru materialul suporților. Piesa în construcție se află pe o platformă care se deplasează pe axa z. De asemenea duza prin care este extrudat material plastic se deplasează în planul xy.

Programul care controlează procesul se numește QuickSlice©. El acceptă fișiere cu modele solide în format STL.

QuickSlice analizează geometria modelului 3D și generează automat suporți. Prin urmare, o secțiune prin modelul 3D va intersecta și modelul suporților. La o anumită cotă, materializarea stratului de secțiune prin piesă va fi însoțită acolo unde este necesar și de materializarea stratului de suport.

Materiale utilizate

Se pot fabrica piese utilizând următoarele materiale:

ceara pentru modele ușor fuzibile;

plastic P301;

plastic ABS (acrilonitril butadien stiren).

Aceste materiale sunt sub formă de fir de circa 1,3 mm în diametru și sunt înfășurate pe un mosor.

Posibilități tehnologice de utilizare

Modelele FDM pot fi utilizate direct ca piese funcționale nemetalice în producția de prototipuri sau serie unică. Pentru fabricarea formelor și matrițelor de turnare modelele FDM sunt ideale .

2.2.3 Sinterizarea selectivă cu laser (SLS)

Acest proces de fabricație rapidă a prototipurilor prin sinterizare selectivă cu laser se bazează pe materializarea unui produs CAD prin adăugare de straturi succesive. Diferența de procedeul LOM unde laserul focalizat în planul de lucru decupa conturul interior/exterior al fiecărei secțiuni, în cadrul acestui procedeu, laserul acoperă punct cu punct întreaga arie a secțiunii,sinterizând stratul fin de material depus pe platforma de lucru.

Principiul de funcționare

1. Laser cu CO2, având o putere de 200 W;

2. Lentilă de focalizare;

3. Oglindă;

4. Sistem de alimentare;

5. Cuva mașinii;

6. Platforma de lucru;

7. Pulbere metalică;

8.piesa metalică.

Sistemul laser 1, generează o radiație laser care este focalizată de lentila 2 și direcționată printr-un sistem de oglinzi 3, către suprafața platformei de lucru 6. La începutul procesului de lucru platforma 6, se găsește în poziția superioară (de top). Un sistem de alimentare 4, depune pe suprafața platformei un strat subțire de pulbere metalică, de grosime controlată. Raza laser scanează suprafața platformei după o traiectorie corespunzătoare geometriei primei secțiuni prin piesa de prelucrat. În urma procesului de scanare, radiația laser sinterizează local stratul de pulbere metalică. După ce radiația laser a scanat în întregime suprafața primului strat, platforma de lucru coboară pe o distanță egală cu grosimea unui strat. Sistemul de alimentare cu material depune un nou strat de pulbere metalică peste stratul precedent. Din nou radiația laser va scana stratul curent de pulbere metalică în conformitate cu geometria noii secțiuni prin modelul solid al piesei de prelucrat. În timpul procesului, va exista un permanent control între grosimea stratului de pulbere metalică depus pe platforma de lucru, distanța dintre secțiunile făcute de programul pe calculator prin modelul solid al piesei și respectiv mărimea deplasării platformei de lucru după fiecare strat prelucrat.

Față de LOM, în cazul sinterizării selective cu laser a pulberilor metalice, este necesar un laser de putere mare.

Una dintre cele mai importante aplicații ale sinterizării metalelor cu ajutorul laserului este producția de scule și matrițe pentru injecția de mase plastice. Se folosesc de regulă două metode:

Metoda indirectă de sinterizare cu laser, când laserul polimerizează un liant organic din pulberea metalică, urmând ca sinterizarea propriu-zisă a pulberii metalice să se realizeze într-o fază ulterioară, într-un cuptor de sinterizare în care liantul organic este ars;

Metoda directă de sinterizare cu laser.

Compoziția de bază a materialului folosit în procesul DMLS a fost dezvoltată și patentată în 1980 de firma Electrolux Rapid Development din Finlanda, pentru producția de piese sinterizate, formate la presiuni mici. Licența pentru folosirea exclusivă a acestor patente este deținută de firma germană EOS GmbH.

Folosirea parametrilor tehnologici adecvați face ca obișnuita reducere de volum datorată sinterizării pulberii metalice la faza lichidă să fie total compensată de creșterea de volum cauzată de difuzia componentelor din amestec, astfel încât acest material nu suferă practic nici o modificare de volum în decursul procesului de sinterizare cu laser. În acest mod se evită necesitatea folosirii unei temperaturi ridicate în zona de lucru, care ar fi necesară de altfel pentru reducerea tensiunilor interne induse de procesul de sinterizare cu laser al altor pulberi metalice.

Datorită focarului laser mic de 350 μm și o viteză mare de scanare de 300 – 800 mm/s, durata încălzirii este suficient de mică pentru a evita oxidarea materialului, fără să fie necesară o atmosferă inertă în zona de lucru. Conținutul în fosfor al celui de-al treilea component împiedică oxidarea amestecului de pulbere și îmbunătățește difuzia particulelor. Acest timp scurt de reacție de câteva milisecunde a fost motivul pentru care piesele realizate din amestecul de pulbere inițial [Wilk,1996], au avut slabe proprietăți mecanice, proprietăți ce puteau fi îmbunătățite printr-o postprocesare într-un cuptor de sinterizare. Prin adaptarea compoziției materialelor la necesitățile specifice procesului de sinterizare cu laser, compania germană EOS – GmbH a reușit să îmbunătățească semnificativ proprietățile mecanice ale pieselor obținute prin DMLS. În ceea ce privește procesul de sinterizare cu laser se remarcă conținutul mare al fazei lichide în timpul sinterizării ceea ce duce la creșterea ariei de difuzie a componentelor amestecului de pulbere metalică și optimizarea parametrilor tehnologici relativi la scanarea suprafeței de lucru de către laser. Rezistența la întindere a piesei realizate prin DMLS a fost îmbunătățită prin folosirea noilor amestecuri de pulberi de la 81 N/mm2 la 150 N/mm2, iar rezistența la încovoiere de la 150 N/mm2 la 300 N/mm2. Porozitatea pieselor (în absența impregnării pentru obținerea unui luciu oglindă) este de aproximativ 25 %.

Piesele prelucrate prin DMLS pot fi prelucrate în continuare (dacă este necesar) prin frezare, găurire, rectificare, etc., întocmai ca orice altă piesă din aluminiu. Toate caracteristicile mecanice ale pieselor pot fi îmbunătățite semnificativ prin impregnarea piesei cu o rășină epoxidică rezistentă la temperaturi înalte. Acest proces secundar nu are influență asupra preciziei geometrice a piesei, nu au loc deformații termice deoarece impactul termic asupra piesei este mic. Rezultatul impregnării conduce la îmbunătățirea rezistenței la încovoiere până la aproximativ 400 N/mm2 și o netezire a suprafețelor prin închiderea porilor. Duritatea suprafeței după impregnare este de aproximativ 108 HB. Infiltrarea pieselor se realizează prin acțiunea forțelor capilare, numai baza piesei fiind necesar să fie scufundată în rășină. Impregnarea durează aproximativ o jumătate de oră. Polimerizarea rășinii se face într-un cuptor la 160 0C și necesită un timp de aproximativ două ore. Preîncălzirea piesei și a rășinii la 60 0C accelerează acest proces și reduce porozitatea reziduală.

Compania EOS – GmbH studiază și posibilitatea impregnării pieselor cu aliaje ușor fuzibile. Deși proprietățile mecanice sunt simțitor îmbunătățite, costul mare al echipamentelor necesare și pierderea de precizie datorită contracțiilor mai mari de 2 % sun un dezavantaj major.

Contracțiile neglijabile ale procesului DMLS, pentru o piesă infiltrată cu rășină epoxidică (de aproximativ 0.05 – 0.1%) sunt comparabile cu cele ale procesului de stereolitografiere. Precizia geometrică a pieselor este limitată de mărimea medie a granulelor pulberii metalice, de 35-40 microni. Grosimea unui strat depus pe platforma de lucru este de aproximativ 50 microni. Rugozitatea unei piese infiltrate este Ra = 3.5 μm. Printr-o finisare manuală obișnuită, rugozitatea poate fi adusă la o valoare de Ra < 1 μm. Conductivitatea termică a pieselor sinterizate este de 110 W/mK ușor mai mică decât a aluminiului.

Toate mașinile de sinterizare cu laser ale companiei EOS sunt proiectate în funcție de destinația pieselor și materialul de prelucrat. Diferența principală dintre sistemul de sinterizare cu laser a metalelor față de a polimerilor, este sistemul optic și laserul, deoarece o temperatură de sinterizare de aproximativ 900 oC necesită o densitate de putere a radiației laser mare. Pentru aceasta, diametrul focarului laser a fost redus la 350 μm și puterea laserului mărită la 250 W. Densitatea de putere a crescut de la 25 W/mm2 la pulberile din mase plastice, la 700 W/mm2 la pulberi metalice. Laser de putere mai mare sunt încă în faza de testare.

Deoarece nu este necesară o preîncălzire inițială a pulberii metalice, proiectarea incintei de lucru a mașinii nu este complicată. Suprafața de lucru a mașinii EOSINT M 250 este 250 x 250 mm și înălțimea de 150 mm. Cu o densitate de 6.1 g/cm3 a materialului sinterizat, greutatea maximă a piesei depășește 50kg.

Aplicații ale DMLS

Cea mai importantă aplicație a DMLS este producția de matrițe metalice pentru injecția de mase plastice sau aliaje neferoase. Procedeul este util pentru matrițe având forme complexe. În cazul matrițelor metalice având configurație geometrică simplă, este mai avantajos de folosit un procedeu de frezare pe mașini-unelte de frezat cu CNC. Totuși, dacă matrița metalică are anumite zone de geometrie complicată care nu ar putea fi prelucrate decât prin electroeroziune cu electrod masiv, atunci DMLS este mai recomandat. Uneori, anumite canale interioare în matriță, având secțiune variabilă, nu pot fi prelucrate nici prin electroeroziune. Singurul procedeu competitiv ca precizie și preț de cost rămâne DMLS.

Sinterizarea selectivă cu laser și infiltrarea pieselor durează 1-2 zile în funcție de mărimea acestora. Timpul necesar proiectării pe calculator (CAD) precum și pentru finisarea acestora, este același ca pentru orice altă piesă prelucrată printr-un alt procedeu convențional. Precizia constructivă a planelor de separație a matrițelor este suficient de bună pentru a fi necesară doar cel mult o operație de finisare manuală.

Proprietățile mecanice ale matrițelor fabricate prin DMLS sunt de departe suficiente pentru injecția de piese din mase plastice. De exemplu [Wilk,1996] la prelucrarea unor piese din poliamida PA66/35% GF seria de fabricație a fost de 1000 buc., la producerea unor repere din ABS seria de fabricație a fost de 4500 buc. După execuția pieselor în nici una din situații nu s-au găsit urme de uzură pe matrițe. Parametri procesului de injecție ai pieselor din mase plastice au fost cei convenționali (1000 bari, 300 oC pentru PA66 – de ex.). Durabilitatea matrițelor metalice poate fi îmbunătățită prin placare cu nikel, grosimea stratului depus fiind de 30 – 40 μm. Prin acest procedeu duritatea crește la aproximativ 512 HV, ceea ce este comparabil cu duritatea oțelurilor cu duritate mare. Totuși cercetările relativ la duritatea matrițelor metalice nu sunt încheiate.

2.2.4.Stereolitografia(SLA)

Acest procedeu de fabricație rapidă a prototipurilor este unul dintre cele mai vechi si totodată unul dintre cele mai precise procedee. Se bazează pe o reacție fotochimică de polimerizare a unei rășini aflate în stare lichidă, în punctul de intersecție a două fascicole laser de lungimi de undă diferite. A fost brevetat în SUA de firma 3D Systems, care este de altfel și principalul producător de astfel de sisteme. Primele sisteme comerciale au apărut în anul 1988. 3D Systems produce o gamă variată de astfel de sisteme, dintre care amintim: SLA 190, SLA 250, SLA 400, SLA 500, SLA 3500, SLA 5000 etc. Alte sisteme de stereolitografiere similare celor produse de 3D Systems sunt date în tabelul 2.4

Suporții sunt generați pe calculator în mod automat de către programul ce controlează sistemul de fabricație rapidă a prototipurilor. Există și programe separate care fac acest lucru. Un exemplu este programul Bridgework al firmei Solid Concepts din Los Angeles, USA. Rolul suporților este de stabilizare a procesului de construcție, de susținere a părților suspendate ale piesei.

Tabelul 2.4

Principiul de funcționare

O platformă mobilă, sau elevator – 1, este plasat inițial sub nivelul suprafeței unui fotopolimer în stare lichidă, aflat într-un container. Fotopolimerul are proprietatea că sub acțiunea unei lumini ultraviolete se întărește (se polimerizează). O rază laser este condusă pe suprafața fotopolimerului aflat în stare lichidă, după un traseu corespunzător geometriei secțiunii prin modelul 3D la o anumită înălțime. Aceasta face ca fotopolimerul în stare lichidă să se întărească în punctele de incidență cu raza laser. Mișcările razei laser sunt controlate în planul orizontal (xOy) de un sistem optic de scanare cu ajutorul unor motoare pas cu pas, foarte rapide ce ghidează un sistem de oglinzi în conformitate cu datele CAD primite de la programul pe calculator ce controlează sistemul de fabricație.

Forma exactă a traiectoriei razei laser este o combinație a informațiilor primite de la sistemul CAD, informații ce descriu forma exactă a secțiunii prin modelul CAD și respectiv informațiile primite de la sistemul de fabricare rapidă a prototipurilor care optimizează procesul de fabricație în vederea compensării erorilor ce pot să apară în decursul procesului.

După ce un strat a fost complet prelucrat, platforma este coborâtă cu o distanță egală cu grosimea unui strat. Rășina fotosensibilă (fotopolimerul) are o consistență destul de vâscoasă. Pentru accelerarea procesului de acoperire a platformei de un nou strat de rășină, o lamă este plimbată peste suprafața platformei, calibrându-se totodată și grosimea stratului. Datorită complexității geometrice a modelelor, în multe situații este necesară construirea de suporți pentru susținerea pereților piesei în decursul procesului. Programe speciale pe calculator analizează geometria modelului și adaugă suporți acolo unde este necesar.

Pentru creșterea vitezei procesului de scanare a suprafeței rășinii fotosensibile de către raza laser, scanarea nu se va efectua pe întreaga suprafață a secțiunii. Se vor scana în întregime contururile interioare și exterioare ale secțiunii după care restul suprafeței se va acoperii cu traiectorii intersectate care să asigure doar o relativă rezistență mecanică a prototipului. In final, prototipul va avea toată suprafața polimerizată dar în interior vor exista zone de rășină nepolimerizată.

De aceea, după ridicarea platformei și scoaterea prototipului din cuva de fotopolimer, suprafața acestuia va fi spălată cu grijă pentru a se îndepărta eventualele

picături de rășină care ar mai rămâne pe suprafață lui. După aceea prototipul se introduce într-o incintă în care este expus la o lumină ultravioletă care va continua procesul de fotopolimerizare și a rășinii rămase nepolimerizată în interior. După scoaterea din incinta în care s-a finalizat fototpolimerizarea prototipului suporții trebuie îndepărtați.

Sistemele SLA sunt dotate cu un laser cu He-Cd având o putere de 10 – 200 mW, generând o radiație ultravioletă cu o lungime de undă de aproximativ 320 – 370 nm.

Sistemul de poziționare a radiației laser folosește două oglinzi (vezi fig.6.10) ale căror mișcări sunt controlate de calculator.

Baia de polimer poate conține de la 20 la 200 litri de material. De regulă fotopolimerul este sensibil la lumină și toxic. De aceea operațiile ce implică containerul cu rășină fotosensibilă nu se fac la vedere, iar unitatea de lucru este echipată cu un sistem de ventilație pentru evacuarea fumului. Aparatura de postprocesare este dotată cu o sursă de lumină ultravioletă de putere mare, pentru completarea procesului de fotopolimerizare.

După polimerizarea completă materialul devine netoxic. Timpul de completare a polimerizării este de ordinul orelor. Un dezavantaj îl reprezintă contracția materialului în timpul procesului de polimerizare, ceea ce duce la apariția tensiunilor interne în piesă. Prețul rășinii este de asemenea ridicat (100 – 200 USD/l). Deși sensibil la vibrații, SLA este considerat cel mai precis procedeu de fabricare rapidă a prototipurilor.

Parametrii tehnologici la fabricația prin stereolitografie

Grosimea stratului. Care trebuie corelată cu puterea laserului, cu cât grosimea este mai mare cu atât fabricația este mai rapidă (costri mai mici) dar cu atât calitatea suprafeței este mai slabă (efectul de scară mai mărit).

Metoda de deplasare a laserului. Care trebuie să realizeze descrierea conturului, hașurile interioare și eventualele cavități.

Distanța dintre liniile de hașură. Cu cât este mai mică cu atât piesa este mai precisă (mai stabilă în timp) dar crește timpul de fabricație și costul.

Hașurarea pentru suprapolimerizare. Influiențează distanța de întrepătrundere a straturilor (pentru aderare).

Completarea polimerizării. Este necesară pentru solidificarea completă a lichidului din miezul piesei.

Domeniul de aplicație

Modelele obținute prin această tehnologie pot fi utilizate într-o foarte larga varietate de aplicații : de la vizualizarea unui model, folosirea lor pentru teste de asamblare sau chiar funcționare, modele pentru procese secundare (turnare, electrozi pentru eroziune, matrițe, etc.), până la realizarea de implanturi ortopedice.

Progresul realizat însă în ultimul timp în industria de materiale pentru ca această tehnologie va deschide noi posibilități de utilizare a pieselor fabricate prin SLA.

2.2.5.Solid Ground Curing(SGC)

Acest procedeu RP este dezvoltat de firma Cubital Inc., începând din anul 1987 și este comercializat în două variante : SOLIDER4600 și SOLIDER5600.

În comparație cu SLA fotopolimerizarea unui strat se face simultan în decurs de câteva secunde nu punct cu punct ca la SLA.

Pentru aceasta se folosesc niște măști de sticlă acoperite cu pulbere de culoare neagră încărcată electrostatic (pe principiul fotocopiatoarelor). O placă de sticlă este încărcată electrostatic în anumite zone conform geometriei unei secțiuni prin piesă. Pulberea este atrasă în acele zone pe placă după care masca este gata. După folosire, masca se curăță și procesul se poate lua de la capăt.

Principiul de functionare

pentru început pe platforma de lucru se mută în fața containerului (4) unde se depune un strat subțire de fotopolimer (o rășină sensibilă la lumină);

un generator electrofotografic (1) generează o mască de toner pe o placă de sticlă după un procedeu asemănător fotocopiatoarelor. Imaginea este identică cu cea a secțiunii prin piesă, secțiune ce se materializează în etapa respectivă. Masca de sticlă este poziționată deasupra platformei de lucru, deasupra căreia este întins stratul de fotopolimer.

o sursă de lumină ultravioletă (3) trece prin mască polimerizând stratul de rășină conform imaginii de pe mască. Lumina ultravioletă este suficient de puternică astfel încât polimerizarea să se realizeze complet în decursul acelei expuneri. Nu mai sunt necesare operații suplimentare pentru polimerizarea completă, ca la SLA.

După polimerizarea stratului respectiv, masca se retrage, se curăță după care se reface în conformitate cu forma secțiunii următoare prin piesă.

Platforma este mutată deasupra unui aspirator (5) care absoarbe toata rășina fotosensibilă rămasă nepolimerizată.

În continuare platforma ajunge în dreptul unui alt container (6) unde platforma se acoperă cu un strat fin de ceară.

Stratul de ceară este solidificat de o instalație specială de răcire (7).

În fine, ultima etapă din cadrul materializării unui strat de secșiune prin piesă este cea de frezare când plqatforma ajunge în dreptul unui cap de frezat (8). În cadrul acestei etape stratul curent este calibrat la grosimea nominală (dată de grosimea secțiunii prin piesă). Stratul de ceară va constitui support pentru stratul următor de rășină ce se va depune pe platforma de lucru.

Ca avantaje ale procesului putem aminti:

nu sunt necesare operații ulterioare de curățare și îndepărtare a suporților;

geometria piesei nu influențează viteza de fabricație, în schimb o influențează volumul piesei;

nu apar tensiuni interne în piesă deoarece nu sunt necesare operații de polimerizare ulterioare (ca la SLA);

nu este necesară construirea de suporți;

în decursul procesului, dacă se consideră că un strat este eronat, atunci acest strat se poate îndepărta prin frezare și apoi reconstrui;

pot fi realizate mai multe piese simultan.

Ca dezavantaje:

supraexpunerea fotopolimerului la lumină poate crește vâscozitatea acestuia făcându-l neutilizabil;

fotopolimerul este sensibil la lumină și totodată toxic;

mașina este foarte mare;

prelucrarea se face cu mult zgomot;

nu prea sunt multe materiale disponibile pe piață;

este necesară îndepărtarea stratului de ceară (cu rol de suport) după finalizarea procesului.

2.2.6. Tipărirea tridimensională (3D)

Sistemul a fost dezvoltat la Massachusetts Institute of Technology din USA. La aceste sisteme, fascicolul laser care sinterizează particulele de pulberi este înlocuit cu un cap de tipărire care proiectează un adeziv spre stratul de pulbere în acele zone unde solidificarea este necesară.

Au fost cercetate și dezvoltate doua sisteme de tipărire tridimensională și anume:

– sistemul picătură cu picătură folosit pentru solidificarea discontinuă, punct cu punct a fiecărei secțiuni.

– sistemul cu jet continu, unde solidificarea se realizează cu un jet de duze prin care adezivul curge continu pe timpul solidificării unei secțiuni.

Principiul de funcționare

Schema generală se poate observa în figura 6.12. Un cap de depunere (7) cu canale multiple asemănător celui de la o imprimantă cu jet de cerneală este plimbat în coordonate x-y pe suprafața platformei (5). In schimbul cernelei imprimantei, acest cap de depunere lasă picături de adeziv din rezervorul (6), care se vor întări în contact cu particulele de material depuse într-un strat subțire pe platforma de lucru.

Odată un strat terminat, pistonul (2) din cuva de lucru (3) coboară platforma cu un increment, pistonul (1) din containerul cu material (9) se va ridica, după care rola (8) va împrăștia un nou strat de material pe platforma de lucru.

Capul de depunere va plasa adezivul în zonele corespunzătoare secțiunii prin piesă. Procesul continuă în mod similar până la materializarea completă a tuturor secțiunilor. După finalizarea procesului de construire strat cu strat, pistonul (2) se ridică și piesa se scoate din masa de pulbere rămasă nefolosită. Compania Soligen Inc. din USA folosește procedeul 3Dprinting pentru realizarea formelor de turnare din pulberi ceramice.

2.2.7. Modelare netă prin inginerie laser (LENS)

Este o tehnologie care caștigă importanță și este în fazele incipiente ale comercializării. Puterea acestei tehnologii constă în abilitatea de a face bucăți de metal compacte cu proprietăți metalurgice bune, la viteze rezonabile. S-au exploatat mai multe variante ale acestei tehnici de lucru in laboratoare atât din Europa cât și din Statele Unite. Aceste abordări sunt numite cu termenul general de fuziune laser. Figura 7.3. expune tehnica adoptată de către Laboratorul Național Sandia și este comercializată de Optomec Design Corporation.

Un laser de putere mare este folosit pentru a topi pulberea de metal depozitată coaxial focosului razei de laser, printr-un cap de depunere (C). Raza laser trece prin centrul capului și se focalizează asupra unui punct prin una sau mai multe lentile (B). Masa x-y (D) este mutată ca un ecran pentru a putea face fiecare strat al obiectului. In mod normal, capul este ridicat vertical, pe măsură ce fiecare strat a fost făcut. Raza laser poate fi obținută prin orice mijloc convențional. In figură apare o singură oglindă (E), dar pot fi folosite și fibre optice. Pulberea de metal (A) este distribuită în jurul circumferinței capului ori prin gravitație, ori prin utilizarea unui gaz de carieră inert, sub presiune (G). Chiar și în cazul în care nu este necesar pentru alimentare, se folosește de obicei un gaz protector inert (F), pentru a proteja bazinul de topire de oxigenul atmosferic, acest lucru se face pentru un mai bun control al proprietăților produsului și pentru a mări adeziunea fiecărui strat, oferind o umezire mai bună a suprafeței.

Suprafața de construcție se află de obicei în interiorul unei încăperi, atât pentru a izola procesul de zona înconjurătoare cât și pentru a proteja operatorii de o posibilă expunere la praful de metal sau la raza laser. Puterea laserului variază de la câteva sute de W la 20 kW sau mai mult, depinzând de materialul folosit sau de alți parametrii. Obiectele prelucrate vor necesita o finisare. Ele sunt desene, cu o textură foarte bună și au proprietăți asemănătoare sau chiar mai bune decât cele ale materialelor intrinsece.

2.2.8.Jeturi lichide (INKJET)

Fiind numită și Prelucrarea Balistică a Particulelor această tehnologie ne arată această metodă (din fig.6) așa cum a fost implementată de Solidscape Inc. Alți furnizori de sisteme folosesc tehnici diferite, dar toate se bazează pe tehnica stropirii (cu jet) cu material topit care apoi se răcește și se întărește la impactul cu alt material. Un exemplu de variație a tehnologiei e oferit de 3D Systems. Această companie produce un utilaj de stropire cu jet numit Modelator Thermojet, bazat pe tehnologia de la Spectra Inc., care utilizează mai multe sute de jeturi.

Utilajul Solidscpe folosește un singur jet de material. Plasticul, ceara și materiale de suport sunt păstrate într-o stare lichidă, la temperaturi ridicate, în rezervoare (A). lichidele sunt transportate la capul de ieșire al jetului (B) prin tuburi izolate termic.

Capurile de ieșire a jetului stropesc picături mici de material, în timp ce sunt mișcate dintr-o parte în alta a zonei ce trebuie stropită, după o schemă cerută pentru a forma stratul pe obiect. Aceste capuri sunt controlate și nu lasă să scape nici o picătură de material dacă nu este cazul. Materialul se întărește rapid la contactul cu obiectul și temperatura fiind mai scăzută.

După formarea unui strat, acesta este uniformizat cu ajutorul unui cap de șlefuire (C) care este trecut pe deasupra stratului. Particulele în exces după șlefuire sunt captate într-un filtru (D).

Acțiunea tuburilor de stropire este verificată după depunerea unui strat de material făcând același lucru pe o bucată de hârtie și citind apoi rezultatul optic (E). Dacă totul este în regulă, masa mobilă (F) este coborâtă pentru a putea fi aplicat următorul strat. Dacă în strat este detectată o denivelare, se inițiază un proces de curățare a capului de stropire cu jet. Straturile cu probleme sunt rătuite jos și apoi refăcute.

După finisarea obiectului de modelat, ceara care a rămas este topită sau dizolvată. Există însă și un inconvenient al sistemului Solidscape, având o durată relativ mare operațiunile de finisare.

III. ALEGEREA TEHNOLOGIEI DE FABRICAȚIE (PRODUCȚIA DE SERIE MICĂ)

3.1. Evaluarea prețului de cost pe diferite sisteme de fabricație rapidă a prototipurilor

3.1.1. Sistemul LOM

Cheltuieli cu retribuția muncitorului și exploatarea mașinii-unelte (C1):

Prețul mașinii-unelte (Pmu): Pmu =4102000000 (aprox.140000$)

Durata normată de viață (Na): Na = 10 ani

Număr de zile lucrătoare pe an (Nz): Nz = 247 zile (365 zile minus sărbătorile legale și zilele de sâmbătă și duminecă)

Numărul de schimburi pe zi (Ns): Ns = 3 schimburi

Numărul de ore pe schimb (No): No = 6 ore

Fondul de timp anual (Fan): Fan = NzNsNo60

Fan = 2,668 5 min/an

Cota de reparații (Cr): Cr = 45 % (cuprinde procentul din numărul total de piese schimbate de-a lungul celor zece ani de exploatare a mașinii)

Cheltuieli cu exploatarea mașinii-unelte (C):

C = = 1,544

Retribuția tarifară a muncitorului (Rtarif): Rtarif=570lei/min (aprox.6000000lei/lună)

Regia secției (Rs): Rs = 200%

Regie întreprindere (Ri): Ri = 150%

Impozit pe retribuție (Ir): Ir = 20%

Cota de asigurări sociale (CAS): CAS = 3%

Asigurări de sănătate (Asan): Asan = 8%

C1 =

C1 = 2194,77 lei / min

Costul materialului pentru sistemul LOM

Materialul folosit este hârtie cu o grosime de 0,1 mm. Costul materialului este 0,52 euro/m.

Dimensiuni piesa: Lungime=185 mm

Lățime=55 mm

Inălțime=10 mm

(lățime piesă + 12 + 25) numărul de straturi lungimea necesară de matrial

numărul de straturi: 10/ 0,1 = 100 straturi

(55+12+25) = 9200 mm = 9,2 m

prețul materialului este: 0,52 = 4,78 euro = 181792 lei

Costul total pentru realizarea piesei pe sistemul LOM

C = (tfuncț mașC1 + Pmat + Ppp)

Unde: tfuncț maș este timpul de funcționare a mașinii

Pmat este prerțul materialului

Ppp este prețul post procesare

În urma simulării s-a constatat că: tfuncț maș = 195 min

Ppp = Rtarif tpp, unde tpp este timpul post procesare, tpp = 90 min

Ppp = 570= 51300 lei

C = 195+ 181792 + 51300 = 661072,15 lei

3.1.2. Sistemul FDM

1. Cheltuieli cu retribuția muncitorului și exploatarea mașinii-unelte (C1):

Prețul mașinii-unelte (Pmu): Pmu =3369500000 (aprox.115000$)

Durata normată de viață (Na): Na = 10 ani

Număr de zile lucrătoare pe an (Nz): Nz = 247 zile (365 zile minus sărbătorile legale și zilele de sâmbătă și duminecă)

Numărul de schimburi pe zi (Ns): Ns = 3 schimburi

Numărul de ore pe schimb (No): No = 6 ore

Fondul de timp anual (Fan): Fan = NzNsNo60

Fan = 2,668 5 min/an

Cota de reparații (Cr): Cr = 45 % (cuprinde procentul din numărul total de piese schimbate de-a lungul celor zece ani de exploatare a mașinii)

Cheltuieli cu exploatarea mașinii-unelte (C):

C = = 1,268

Retribuția tarifară a muncitorului (Rtarif): Rtarif=570lei/min (aprox.6000000lei/lună)

Regia secției (Rs): Rs = 200%

Regie întreprindere (Ri): Ri = 150%

Impozit pe retribuție (Ir): Ir = 20%

Cota de asigurări sociale (CAS): CAS = 3%

Asigurări de sănătate (Asan): Asan = 8%

C1 =

C1 = 1908,23 lei / min

2. Costul materialului pentru sistemul FDM

Costul materialului pentru rola cu material de piesă care are 10 straturi este 275 $ și pentru rola cu material de suport care are 16 straturi este 240 $.

În urma unei simulări s-a constatat că timpul de execuție este de 631 de minute si se consumă 0,4 straturi la materialul pentru piesă si 0,3 straturi la materialul pentru suport.

Costul materialului pentru piesă:

0,4 straturi = 4 % din rolă material piesa

4% $ = 0,04 = 11 $ = 322300 lei

Costul materialului pentru suport:

0,3 straturi = 1,87 % din rolă material suport

1,87 %$ =0,0187= 4,48 $ = 131264 lei

Costul total al materialului pentru sistemul FDM

322300 + 131264 = 453564 lei

Costul total pentru realizarea piesei pe sistemul FDM

C = (tfuncț mașC1 + Pmat + Ppp)

Unde: tfuncț maș este timpul de funcționare a mașinii

Pmat este prerțul materialului

Ppp este prețul post procesare

În urma simulării s-a constatat că: tfuncț maș = 631 min

Ppp = Rtarif tpp, unde tpp este timpul post procesare, tpp = 60 min

Ppp = 570= 34200 lei

C = 631+ 453564 + 34200 = 1691857,13 lei

3.1.3. Sistemul SLS

1. Cheltuieli cu retribuția muncitorului și exploatarea mașinii-unelte (C1):

Prețul mașinii-unelte (Pmu): Pmu =7618000000 (aprox.260000$)

Durata normată de viață (Na): Na = 10 ani

Număr de zile lucrătoare pe an (Nz): Nz = 247 zile (365 zile minus sărbătorile legale și zilele de sâmbătă și duminecă)

Numărul de schimburi pe zi (Ns): Ns = 3 schimburi

Numărul de ore pe schimb (No): No = 6 ore

Fondul de timp anual (Fan): Fan = NzNsNo60

Fan = 2,668 5 min/an

Cota de reparații (Cr): Cr = 45 % (cuprinde procentul din numărul total de piese schimbate de-a lungul celor zece ani de exploatare a mașinii)

Cheltuieli cu exploatarea mașinii-unelte (C):

C = = 2,868

Retribuția tarifară a muncitorului (Rtarif): Rtarif=570lei/min (aprox.6000000lei/lună)

Regia secției (Rs): Rs = 200%

Regie întreprindere (Ri): Ri = 150%

Impozit pe retribuție (Ir): Ir = 20%

Cota de asigurări sociale (CAS): CAS = 3%

Asigurări de sănătate (Asan): Asan = 8%

C1 =

C1 = 3569,36 lei / min

2. Costul materialului pentru sistemul SLS

Se consumă pulbere și azot.

1 kg pulbere = 120 euro

1 m3 azot = 81000 lei + TVA = 96390 lei, cosumul de azot este de 15 m3 în 24 de ore.

Pulbere consumată este: masa piesei + 10 % pierdere pulbere

= 27,5+2,75 = 30,25 g. = 0,03025 kg

Se costata ca daca 1 kg pulbere costa 120 euro, atunci 0,03025 kg costa 3,63 euro ceea ce inseamna ca: 0,03025 kg pulbere = 137940 lei

În urma simulării s-a constatat că timpul de funcționare a mașinii pentru realizarea acestui model este de patru ore. Astfel ca daca in 24 de ore se consuma 15 m3 de azot in patru ore consumul va fi de 2,5 m3 de azot.

costul azotului este: 2,5= 240975 lei

Costul materialului pentru realizarea modelului pe sistemul SLS este cost pulbere adunat cu cost azot.

137940 +240975 = 378915 lei

3. Costul total pentru realizarea piesei pe sistemul SLS

C = (tfuncț mașC1 + Pmat + Ppp)

Unde: tfuncț maș este timpul de funcționare a mașinii

Pmat este prerțul materialului

Ppp este prețul post procesare

Ppp = Rtarif tpp, unde tpp este timpul post procesare, tpp = 45 min

Ppp = 570= 25650 lei

C = 240+ 378915 + 25650 = 1261211,4 lei

În urma determinării prețului de cost a piesei master pe cele trei sisteme de fabricație rapidă a prototipurilor s-a constatat că sistemul LOM este cel mai putin costisitor, după cum se observă și în tabelul alăturat.

3.2. Descrierea pașilor necesari pentru realizarea matriței

Aplicațiile industriale de utilizare a modelelor RP, implementate cel mai des cu succes, sunt:

-Metode de fabricație prin turnare sub vid în matrițe din cauciuc siliconic (vacuum casting);

– Metode de fabricație prin pulverizare de metal topit (metal spraying);

– Metode de fabricație prin turnarea directă a pieselor metalice cu modele ușor fuzibile (investment casting).

Este dificil de clasificat și ierarhizat aceste metode de fabricație deoarece ele sunt complementare, fiecare fiind utilă și recomandată unor anumite situați practice. Există trei criterii principale după care se aleg aceste metode de fabricație:

Tipul materialului din care trebuie fabricată piesa finală (metal, plastic).

Gradul de complexitate a formei geometrice și gabaritul piesei.

Numărul de bucăți cerute (seria de fabricație).

O tehnică modernă care și-a dovedit oportunitatea și eficiența prin utilizarea prototipurilor unor piese complexe este metoda de fabricație prin turnare sub vid în matrițe din cauciuc siliconic. La turnarea sub vid materialele utilizate sunt diferite tipuri de rășini, materiale plastice și cauciuc. Piesele din rășini fabricate prin turnare sub vid au proprietățile mecanice compatibile cu cele ale pieselor fabricate prin injecție de mase plastice.

Pentru realizarea matrițelor din cauciuc siliconic se parcurg următoarele etape:

Modelul master va fi curățat și se va aplica pe suprafața acestuia o substanță chimică care să prevină lipirea siliconului de suprafața modelului.

Stabilirea planului de separație a matriței prin lipirea unei benzi la nivelul acestui plan. Conturul acestui plan va fi colorat pentru a fi vizibil prin cauciucul siliconic semi-transparent, după turnarea acestuia în jurul piesei.

Fabricarea unei cutii din lemn in care să se toarne cauciucul siliconic în stare lichidă. Cutia din lemn va încadra modelul master astfel încat va fi mai mare cu circa 30mm decât perimetrul piesei.

Suspendarea modelului în cutie. Modelului i s-a atașat o tijă verticală care după solidificarea CS va fi înlăturată și astfel va rezulta pâlnia de turnare. În cutia de formare vor mai fi atașate sârme orizontale pentru susținere și sârme verticale pentru crearea unor canale de aerisire necesare pentru evacuarea aerului din cavitatea dintre viitoarele semi-matrițe.

Turnarea cauciucului siliconic în cutie. Înainte de a fi turnat CS este introdus într-o incintă vidată pentru degazeificare

După ce afost turnat CS este introdus din nou în incinta vidată pentru eliminarea bulelor de aer acumulate în jurul modelului master la turnare.

Cutia cu CS turnat este introdusă în cuptorul de polimerizare unde are loc solidificarea blocului CS

După polimerizarea blocului CS acesta este scos din cutie. Planul de separație dintre cele două semi-matrițe este tăiat cu ajutorul unui bisturiu, urmărindu-se cu atenție traseul marcat pe marginea benzii adezive aplicate pe modelul master.

Se deschid cele două semi-matrițe și se înlătură modelul master.

IV. STUDIUL DE CAZ

La studiul de caz o să prezint etapele de fabricare a piesei care trebuie să o realizez pe una din mașinile de RP.

4.1.Etapa de proiectare a modelului solid al piesei ”master”

În primul rând am proiectat piesa în Solid Works urmând apoi ca modelul să-l import în programul Stratasys QuickSlice care va face interfațarea între utilizator și mașina RP. Practic acest program va împărți piesa în layere (straturi) și va transmite datele mașinii care va ști în acest mod să prelucreze piesa strat cu strat. Toată operația de realizare a unei piese pe aceste tipuri de mașini am prezentat-o anterior.

Figura 4.1 Modelul master proiectat in Solid Works

Pentru realizarea piesei master în Solid Works m-am folosit de următoarele funcții:

Extrude 2 – pentru generarea solidului 1 din schița 1 folosind sketch 1

Cut extrude 2 – se taie din solid zona principală unde se vor poziționa butoanele folosind sketch 4 (schița 4)

Cut extrude 3, 4 – se rotunjesc capetele telecomandei folosind sketch 5 și sketch 7

Chamfer 1 – se teșește muchia superioară a părții inferioare a telecomandei

Chamfer 3 – se teșește muchia superioară a părții superioare a telecomandei

Plan 3 – se introduce plan de referință paralel și tangent la suprafața telecomandei

Plan 4 – se introduce plan de referință paralel și tangent la suprafața laterală inferioară a telecomandei

Plan 6 – se introduce plan de referință perpendicular pe zona inferiară a telecomandei

Plan 7 – se introduce alt plan de referință perpendicular pe zona inferiaoră a telecomandei

Cut-loft 27 – se rotunjește interior cu rază variabilă muchia laterală din partea inferioară a telecomandei

Filet 4 – se rotunjește exterior muchia inferioară rămasă din operația precedentă

Plan 9 – se introduse plan de referință simetric și longitudinal

Plan 10 – se introduce un plan perpendicular pe zona superioară a telecomandei

Cut-loft 33 – se rotunjește interior cu rază variabilă muchia laterală din partea superioară a telecomandei

Filet 7 – se rotunjește exterior muchia superioară rămasă din operația precedentă

Mirror 1 – operațiile cut-loft 27, filet 4, cut-loft 33 și filet 7 se efectuează și pentru cealaltă parte a telecomandei

Cut-extrude 14 – în partea superioară paralelă cu suprafața principală a telecomandei se efectuează o operație de scobire generând zona în care vine montat celula inflaroșie a telecomandei

Shell 6 – se efectuează scobirea interioară a telecomandei

Cut-extrude 5 – se taie interior în suprafața principală a telecomandei zona în care intră butonul

LPattern 1 – se multiplică coplanar operația precedentă generând golurile în care vin toate butoanele telecomandei

Filet 8 – se rotunjesc muchiile aflate la extremitatea zonei butoanelor în partea interioară a carcasei de telecomandă

Cut-extrude 6 – se efectuează operația de îndepărtare de material pentru ledul telecomandei

Filet 12 – se rotunjesc colțurile telecomandei

Extrude 3 – se generează un element interior care separă butoanele

LPattern 2 – se efectuează operația de multiplicare coplanară a operației precedente

În continuare se efectuează operațiile de definire a geometriei interioare a carcasei de telecomandă.

4.2.Alegerea planului de separare

La înlăturarea pieselor turnate în matriță, planul de separare a semi-matrițelor se va alege după criteriile următoare: pentru a ne asigura că la separarea celor două semi-matrițe acestea nu se deteriorează și separarea se desfășoară cât mai ușor fără să determine complicații la înlaturarea pieselor turnate, în cazul de față planul de separare a semi-matrițelor este prezentat în figura alăturată.

Figura 4.2 Prezentarea planului de separare a semi-matritelor

4.3.Turnarea piesei

Pentru fabricarea modelului master, o tehnică modernă care s-ar dovedi a fi oportună și eficientă în dezvoltarea pieselor complexe este turnarea sub vid în matrițe din cauciuc siliconic.

Pentru turnarea sub vid în matrițe din cauciuc siliconic se parcurg următoarele etape:

Cele două semi-matrițe se vor lega cu bandă adezivă și se va monta pâlnia de turnare.

Cântărirea cantităților necesare din cei doi componenți A și B, din care este compusă rășina care se utilizează la turnare. Un exemplu de astfel de rășină este SG95.

Plasarea celor doi componenți în cănile A și B care se introduc în camera de vid a mașinii.

Are loc amestecarea celor doi componenți și turnarea lor în cavitatea dintre cele două semi-matrițe prin pâlnia flexibilă până când se observă că rășina iese prin toate canalele de aerisire.

Urmează solidificarea piesei turnate prin polimerizare termală, prin introducerea pachetului de matrițe în cuptorul de polimerizare.

Extragerea piesei turnate și înlăturarea nervurilor turnate în locul găurilor de aerisire și a pâlniei de turnare.

4.4.Separarea semi-matrițelor

După polimerizare blocul de cauciuc siliconic este scos din cutia de lemn în care a fost format. Tăierea planului de separație se va face ondulat pentru a asigura centrarea la repoziționarea celor două semi-matrițe. Tăierea se va face cu bisturiul, urmărindu-se cu atenție traseul marcat pe marginea benzii adezive aplicate pe modelul master

4.5 Evaluarea prețului de cost

Pentru determinarea prețului final al piesei se folosește următoarea formulă:

+(Pmat plastic + Pmanop de turnare)

unde: Pprot – prețul prototipului

Pmatr – prețul matricei

Pmat plastic – prețul materialului plastic

Pmanop de turnare – prețul manoperei de turnare

Pprot – se ia prețul piesei realizate pe sistemul LOM, pentru că este cel mai redus preț. Pprot = 661072,15 lei

Pmatr = Pmanoperă + Pmaterial

Pmanoperă = Rtarif = 570= 136800 lei

Pmaterial : pentru matriță se folosesc 750 g material, 1 kg cauciuc siliconic = 82,7 $

Pmaterial = 82,7= 62,025 $ = 1817332,5 lei

Pmatr = 136800 + 1817332,5 = 1954132,5 lei

Pmat plastic : se folosește 27,5 g și prețul le material este de 100 $/kg

27,5 g = 100= 2,75 $ Pmat plastic = 80575 lei

Pmanop de turnare = Rtarif = 570= 17100 lei

Pentru o singură piesă prețul este :

+(Pmat plastic + Pmanop de turnare)= 2712879,6 lei

Pentru 10 piese prețul este: P = 1238270,4 lei

Pentru 20 piese prețul este: P = 2084260,2 lei

Pentru 30 piese prețul este: P = 3017423,4 lei

Pentru 40 piese prețul este: P = 3972380,1 lei

Pentru 50 piese prețul este: P = 4936054,09 lei

Pentru 60 piese prețul este: P = 5904086,7 lei

V. CONCLUZII

În acest proiect am cercetat eficacitatea realizării de prototipuri pe sistemele FRP în funcție de prețul pentru realizarea unei singure piese. S-a constatat că pentru piesa pe care am ales-o, sistemul LOM este cel mai eficient. După evaluarea acestui preț de cost pentru producția de serie mică am ales realizarea pieselor cu ajutorul matriței din cauciuc siliconic. Se observă că după determinarea pruțului final al piesei, cu cât crește numărul pieselor cu atât prețul este mai mic.

BIBLIOGRAFIE

[Ber 00] Berce, P., Bâlc, N., Ancău, M., Comșa, S., Jidav, H., Caizar, C., Chezan, H., – Fabricarea Rapidă a Prototipurilor. Editura Tehnică, București, 2000. ISBN 973-31-1503-7.

Bâlc, N., Berce, P., Achimaș, G., Gyenge, C. – Tehnologii Neconvenționale. Editura Dacia, Cluj – Napoca, 2001, ISBN 973-35-1130-7.

[Burn,1993] Burns, M., 1993. Automated Fabrication. Improving Productivity in Manufacturing, PTR Prentice Hall.

[John,1994] Johnson, J.L., 1994. Principles of complete automated fabrication, Paletino Press.